Das Ziel aeroelastischer Untersuchungen an Turbomaschinen ist die Bereitstellung theoretischer und experimenteller Verfahren zur Vorhersage von Flatterngrenzen und von Schwingungsamplituden bei aerodynamischer Schaufelanregung.
Experimentelle Verfahren
Experimentelle Flatteruntersuchungen an Triebwerksverdichtern Verdichter-Ringgitter Ringgitterwindkanal der EPF Lausanne
Die Entwicklung moderner Triebwerksverdichter führte bei gleichzeitiger Gewichtsreduzierung zu immer höheren Druckverhältnissen und damit zu aerodynamisch hoch belasteten Stufen mit transsonischer Schaufelumströmung. Triebwerksschaufeln sind wegen der Elastizität des Materials schwingungsfähige Strukturen. Durch ihre im Vergleich zur Dicke relativ große Länge und durch die zumindest im Schaufelaußenbereich geringe Umlenkung treten bei Fan- und Niederdruckkompressorschaufeln freie Schwingungen bei niedrigen Frequenzen auf, die aeroelastisch kritisch sein können. Durch die Schaufelschwingungen werden instationäre aerodynamische Kräfte hervorgerufen, die die Bewegung dämpfen oder anfachen können. Im letzteren Fall treten selbsterregte Schwingungen auf, die zu einer mechanischen Instabilität führen (Schaufelflattern).
Um schwerwiegende Schäden am Triebwerk durch Schaufelflattern zu vermeiden, muss die Flatterneigung der Beschaufelung bereits während der Konstruktion berücksichtigt werden. Für das Verständnis des aeroelastischen Verhaltens von Verdichterbeschaufelungen sind numerische und experimentelle Untersuchungen notwendig. Zur Durchführung von Experimenten in der Näheder Flattergrenze wurde ein spezielles Verdichtergitter mit 20 zweidimensionalen Verdichterschaufeln entworfen, die derart elastisch aufgehängt sind, dass sie eine Torsionsschwingung um die Mittelachse ausführen können.
Die Untersuchungen wurden im Ringgitterwindkanal der EPFL (École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Schweiz) durchgeführt. Der Vorteil dieses Windkanals ist, dass das Ringgitter nicht rotiert. Durch einen Vordrall in der Zuströmung werden die Zuströmbedingungen so eingestellt, dass sie denen eines rotierenden Gitters entsprechen.
Die aerodynamische Stabilität des Gitters wird anhand der aerodynamischen Dämpfung beurteilt. Hierfür werden die Schaufeln harmonisch zwangsbewegt und die hervorgerufene instationäre Druckverteilung gemessen. Die erste Harmonische des Druckes, ermittelt aus einer Fourier-Transformation der Signale an den verschiedenen Aufnehmerpositionen, wird mit der Schaufelbewegung in Beziehung gesetzt. Eine Analyse dieser Daten - im Besonderen deren Phasenlagen zueinander - gibt Einblick in das lokale und globale Dämpfungsverhalten der Beschaufelung.
In zusätzlichen "Flatterexperimenten" werden Flatterzustände unter entsprechenden Sicherheitsvorkehrungen direkt angefahren. Übersteigt die aerodynamische Anfachung die strukturelle Dämpfung, so beginnt das Gitter mit selbsterregten Schwingungen. Hier wird dann der Amplituden- und Phasenverlauf der einzelnen Schaufelschwingungen gemessen.
Experimentelle Untersuchungen erzwungener Schwingungen in Turbinenbeschaufelungen
Turbomaschinen sind aus abwechselnd hintereinander angeordneten stehenden und rotierenden Schaufelreihen (Statoren bzw. Rotoren) aufgebaut. Bei einer Durchstömung der Schaufelreihen unter Rotation treten periodische Druckschwankungen auf, die die elastische Struktur zu Schwingungen anregen. Übersteigen die Schwingungsampltiuden ein gewisses Maß, so können Schäden aufgrund von Materialermüdung auftreten.
Zur Vermeidung solcher Schäden, zur Verlängerung von Inspektionsintervallen und zur sicheren Auslegung des Triebwerks sind sowohl qualitativ hochwertige Entwicklungsverfahren als auch experimentelle Validierungsdaten notwendig. Im Rahmen des europäischen Forschungsprojektes Advanced Design of Turbine Blades (ADTurB) wurden die hierfür erforderlichen experimentellen Untersuchungen im Göttinger Ringgitterwindkanal (RGG) des Instituts für Antriebstechnik an einer Turbinenstufe mit unterschiedlichen Statoren und Rotoren durchgeführt.
Die Untersuchungen beinhalteten die Messung der aerodynamischen Anregungsfunktion, die auf die Schaufeln wirkt, die dadurch hervorgerufenen Schwingungsamplituden und deren Streubreite. Weiterhin wurde die Wirksamkeit von Dämpfungselementen, die zusätzlich in die Rotorbeschaufelung eingebracht wurden, überprüft.
Eine Anregung nur in Schaufelwechselfrequenz tritt bei rotationssymmetrischen Rotoren auf, bei denen jede Schaufel als identisch angesehen werden kann. Die Untersuchungen wurden auch auf die Fälle ausgeweitet, bei denen kleine Abweichungen von Statorschaufel zu Statorschaufel zu einer Abweichung des Strömungsfeldes von der Periodizität pro Schaufelkanal führen. Dadurch treten im Anregungsspektrum niedrige Frequenzen auf, die dann Schwingungsformen mit niedrigeren Eigenfrequenzen anregen.